KR101565642B1 - 잉곳 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도가니를 사용하지 않고 실리콘 잉곳을 제조하는 장치(1)와 방법에 관한 것으로, 시드층(7)과 액체층(32)이 있는 지지부가 액체층(32)을 제어가능한 방식으로 고화시키기 위해 수직 방향 구배를 갖는 온도장에서 점진적으로 하강된다.

Description

잉곳 제조 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF INGOTS}

미국 특허 출원 US 13/561 350 의 내용이 참조로 관련되어 있다.

본 발명은 잉곳 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

결정, 특히 실리콘으로 만들어진 결정의 대량 성장을 위한 기술은 부유 영역(FZ), 초크랄스키(Czochralski)(Cz) 및 다결정질(mc) 성장을 포함한다. 이들 방법 각각에는 단점과 한계가 있다.

본 발명의 목적은 잉곳의 제조를 용이하게 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 제어가능한 분위기를 제공하는 챔버; 시드층을 지지하기 위한 지지부; 상기 챔버내의 주어진 성장분에서 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단; 및 재료를 상기 시드층 상에 제어가능하게 공급하기 위한 공급 장치를 포함하는 잉곳 제조 장치로 포함하며, 여기서 상기 챔버는 수직 방향, 즉 길이 방향으로 서로 떨어져 있는 정상부와 바닥부를 가지며, 상기 지지부는 챔버에 대해 길이 방향으로 움직일 수 있고, 상기 온도장은 상기 길이 방향으로 온도 구배를 갖는다. 상기 목적은 또한 다음과 같은 단계들을 포함하는 잉곳 제조 방법으로 달성된다: 제어가능한 분위기를 제공하는 챔버, 상기 챔버내의 주어진 성장분에서 길이 방향의 온도 구배를 갖는 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단, 상기 챔버내에서 길이 방향으로 (내부의 고온 영역에 대해) 움직일 수 있는 시드층용 지지부, 및 공급원료를 제공하기 위한 제어가능한 공급 장치를 갖는 장치를 제공하는 단계; 제조될 잉곳의 단면적을 규정하게 되는 시드층을 상기 지지부 위에 제공하는 단계; 상기 시드층이 상기 성장분내에서 소정의 위치에 있도록 상기 지지부를 이동시키는 단계; 상기 성장분내에서 소정의 수직 방향 온도 구배를 갖는 온도장을 발생시키는 단계; 공급 장치를 통해 공급원료를 상기 시드층에 제공하는 단계(공급원료의 공급 및 성장분내의 온도장은 전체 시드층이 액체 공급원료 층으로 덮히도록 제어됨); 아래쪽에서 냉각되는 액체 공급원료 층의 고화에 따라 상기 지지부를 상기 고온 영역에 대해 하강시키는 단계. 지지판의 운동은 고화 계면의 운동과 대략 동일하되 그에 반대가 되도록 제어된다.

본 발명의 핵심은, 챔버내에서 길이 방향 온도 구배를 발생시키기 위한 적어도 하나의 수단, 시드층을 지지하기 위한 것으로 상기 온도 구배의 방향으로 움직일 수 있는 지지부, 및 재료를 대략 평평한 시드 결정층 상으로 제어가능하게 공급하기 위한 공급 장치를 갖는 잉곳 제조 장치를 제공하는 것이다.

상기 잉곳 제조 장치는 실리콘 잉곳을 제조하는데 특히 적합하다. 이 장치는 도가니를 사용하지 않는 잉곳 제조에 특히 적합한다. 시드층에 있는 액체 공급원료는 특히 프리스탠딩(freestanding)으로 있을 수 있는데, 즉 액체 공급원료를 담기 위한 도가니, 용기 또는 저온벽 도가니가 없다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 시드층은 지지부 위에 배치되는 적어도 하나의 시드판을 포함한다. 이 시드판은 바람직하게는 실리콘으로 만들어진다. 시드판은 바람직하게는 단결정 구조로 만들어진다. 시드판은 단결정질 실리콘으로 만들어질 수 있다. 유리하게는, 시드판은 본 발명의 방법에 따라 제조된 잉곳으로 만들어질 수 있다.

상기 시드층은 여러 개의 시드판, 특히 여러 개의 시드 결정을 포함할 수 있다. 시드판은 바람직하게는 지지부 상에 규칙적인 패턴으로 배열된다. 시드판은 바람직하게는 지지부 상에서 소정 면적의 타일을 형성한다. 시드판은 바람직하게는 주어진 결정 구조, 특히 주어진 배향을 갖는다.

상기 시드층은 바람직하게는 제조될 잉곳의 단면적에 대응하는 단면적을 갖는다. 시드층은 특히 제조될 잉곳과 동일한 단면 형성을 갖는다. 시드층의 단면적은 최종 잉곳의 단면적의 특히 20% 이내이다.

상기 시드층은 바람직하게는 적어도 0.04 m², 특히 적어도 0.1 m², 특히 적어도 0.2 m², 특히 적어도 0.4 m²의 단면적을 갖는다. 시드층은 직사각형, 특히 정사각형일 수 있다. 바람직하게는, 시드층은 평평한 측면 길이를 가지며, 이 길이는 웨이퍼 크기의 정수배이다.

시드층의 외주는 바람직하게는 둥근 코너를 갖는다. 이 코너는 바람직하게는 적어도 1 mm, 특히 적어도 3 mm의 반경(R)을 갖는다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 챔버내에서 상기 온도장을 제어하기 위한 상기 적어도 하나의 수단은 시드층을 위한 상기 지지부의 위쪽에 배치되는 적어도 하나의 상부 가열 장치를 포함한다.

상기 가열 장치는 지지부로부터 시드판의 반대측에 배치된다. 가열 장치는 특히 제어 장치로 제어가능하다. 이 제어 장치는 개방형 루프 또는 폐쇄형 루프 제어 시스템의 일 부분일 수 있다. 가열 장치는 유도식 또는 저항식일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 상부 가열 장치는 길이 방향에 수직인 방향으로 온도 구배를 갖는 온도장을 발생시키도록 설계되어 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 적어도 하나의 상부 가열 장치는 적어도 두개의 가열 루프를 포함하며, 이들 가열 루프는 독립적으로 제어될 수 있다. 각각의 가열 루프는 DC 전력 신호와 AC 전력 신호 중의 적어도 하나를 제공하는 전원에 연결된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 적어도 두개의 가열 루프가 동심으로 배치된다. 이들 적어도 두개의 가열 루프는 상이한 둘레를 갖는데, 따라서 한 가열 루프는 최외측 가열 루프를 형성하며, 이 최외측 가열 루프는 적어도 하나의 다른 가열 루프 보다 약한 가열력을 갖는다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 온도장을 제어하기 위한 상기 적어도 하나의 수단은 시드층을 위한 지지부 아래에 배치되는 적어도 하나의 하부 냉각 장치를 포함한다. 상부 가열 장치 및 하부 냉각 장치는 특히 길이 방향에 대해 시드층의 서로 반대측에 배치된다.

상기 하부 냉각 장치는 바람직하게는 제어가능하다. 이 하부 냉각 장치는 열제거 강도의 제어가능한 변화를 가능하게 해준다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상부 가열 장치 및 하부 냉각 장치 중의 적어도 하나는, 성장분에서의 횡방향 온도 구배가 최대 1 K/cm, 특히 최대 1 K/m, 특히 최대 10^-1 K/m가 되도록 설계된다. 온도 구배는 바람직하게는 제어될 수 있다.

길이 방향 온도 구배는 바람직하게는 제어될 수 있다. 이 길이 방향 온도 구배는 100 K/m ∼ 10000 K/m, 특히 300 K/m ∼ 3000 K/m의 범위에 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 장치는 적어도 하나의 주변 가열기를 더 포함한다. 이 주변 가열기는 바람직하게는 형상에 있어 시드층의 외주에 맞는 또는 거의 맞는 내주를 가지며 약간 더 긴 길이를 갖는다. 따라서, 시드층과 주변 가열기 사이에는 횡방향으로, 즉 길이 방향에 수직인 방향으로 바람직하게는 0.2 mm ∼ 10 mm 범위의 폭을 갖는 틈이 존재하게 된다.

상기 주변 가열기는 바람직하게는 유도식 가열 요소를 포함한다. 이 가열 요소는 유체 냉각식 코일, 특히 수냉식 또는 기냉식 코일일 수 있다. 코일은 적어도 실리콘의 용융 온도에 대해 내화성이 있는 구리 또는 다른 재료로 만들어지질 수 있다. 다른 한편으로, 냉각은 필요 없으며, 가열 요소는 속이 찬 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 주변 가열기의 두 단부는 AC 전원 및 선택적인 DC 전원을 포함하는 전력 공급부에 연결된다.

유도식 주변 가열기는 전자기장 구속 코일을 형성한다. 이 주변 가열기에 의해 생성된 자기장은 전도성 액체 실리콘에서 역전류를 발생시킨다. 가열기의 전류와 실리콘의 역전류는 전자기력 통해 상호 작용하여, 가열기로부터 액체 실리콘이 반발된다. 이렇게 해서, 주변 가열기는 제조될 잉곳의 단면을 거의 일치되게 제어할 수 있다. 주변 가열기는 특히 잉곳 단면의 비접촉식 제어를 가능케 해준다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 장치는 적어도 하나의 주변 냉각기를 더 포함한다. 이 주변 냉각기는 바람직하게는 형상에 있어 시드층의 외주에 맞는 내주를 갖는다. 이렇게 해서, 시드층과 주변 냉각기 사이에는 횡방향으로 바람직하게는 0.2 mm ∼ 20 mm 범위의 폭을 갖는 틈이 존재하게 된다.

상기 주변 냉각기는 주변 냉각 루프로 형성될 수 있다. 주변 냉각기는 냉각 유체, 특히 냉각 액체 또는 냉각 가스가 순환할 수 있는 관을 포함할 수 있다. 주변 냉각기는 반경 방향으로 시드층으로부터 떨어져 있다. 이렇게 해서, 주변 냉각기는 잉곳과 물리적 접촉을 하지 않는다. 주변 냉각기는 에지 냉각 루프를 형성한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 주변 가열기는 길이 방향으로 최대 10 cm의 거리를 두고 주변 냉각기의 위쪽에 배치된다. 주변 가열기는 바람직하게는 주변 냉각기 옆에 배치된다. 주변 가열기는 특히 주변 냉각기와 최대 5 cm, 특히 최대 3cm의 거리를 두고 배치된다.

주변 가열기와 주변 냉각기는 동일한 또는 거의 동일한 횡방향 단면을 가질 수 있다. 주변 가열기와 주변 냉각기는 전술한 바와 같이 길이 방향으로 서로 거리를 둔 상태에서, 특히 단면의 중심을 통과하는 길이 방향 축선에 대해 동심으로 배치된다. 연결 외에도, 주변 가열기와 주변 냉각기는 회전 대칭, 특히 개별적인 4중의 회전 대칭을 보일 수 있다. 비제한적으로 회전 대칭은 또한 2중일 수 있으며 직사각형 단면을 갖는다. 태양 모듈에서 효율적인 공간 충전을 위해 배치될 수 있는 기판들을 절단하기 위해 최소의 폐기물 발생으로 하나 이상의 직사각형 또는 정사각형 블럭으로 분할될 수 있도록 단면은 직사각형 또는 정사각형인 것이 바람직하다. 비대칭이 배제되는 것은 아니지만 효율적이지는 않을 것이다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 장치는 가스 입구를 더 포함한다. 이 가스 입구에는 불활성 가스 저장부로부터 불활성 가스, 특히 아르곤이 도입될 수 있다.

상기 가스 입구는 시드층의 위쪽에 배치된다. 가스 입구는 시드층 및/또는 이 시드층 위의 액체 재료를 가로지르는 균일한 불활성 가스 유동이 일어나도록 설계된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 공급 장치는 바람직하게는 실리콘 용융 수단을 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 두개의 다른 온도 제어 시스템을 포함하는데, 하나는 공급원료를 용융시키기 위한 것이고 다른 하나는 공급원료의 고화를 위한 것이다. 이렇게 해서, 열 흐름 제어의 유연성이 향상된다. 작은 고체 실리콘 조각이 시드층 위의 액체 층에 추가될 수 있지만, 고체가 다른 곳에서 용융되어 필요에 따라 액체 상태로 고화부에 제공된다면 시스템은 작동시 더욱 강건(robust)하고 또한 공급원료의 종류에 있어 더욱 유연하게 될 수 있다.

공급 장치는 특히 챔버의 외부에 배치될 수 있다. 따라서, 공급원료, 특히 액체 공급원료는 챔버의 외부에서 그 챔버, 특히 시드층에 추가될 수 있디.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 잉곳 제조 장치는 도가니가 없다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 공급 장치는 출구를 포함하며, 시드층에 대한 그 출구의 위치는 조절가능하다.

본 발명에 따른 방법에 따르면, 제조될 잉곳의 단면적을 규정하는 시드층이 지지부에 제공되고 이 지지부는 소정의 수직 방향 온도 구배를 갖는 온도장내의 소정의 위치로 이동하게 된다. 그런 다음, 공급 장치에 의해 공급원료가 시드층에 제공되며, 전체 시드층이 액체 실리콘 층으로 덮히도록 공급원료의 공급과 성장분내의 온도장이 제어된다. 그리고, 열 에너지가 바닥에서 제거됨으로 인해 액체 공급원료 층이 고화됨에 따라 지지부가 하강되는데, 즉 온도 구배에 평행한 방향, 특히 온도가 감소하는 방향으로 이동하게 된다. 다시 말해, 시스템이 시드층 위쪽에 있는 정적의 안정된 액체층과 초기 평형을 이룬 후에, 상방 가열을 줄이거나, 하방 냉각을 증가시키거나 또는 이 둘 다를 병행하여 열 균형을 변화시킨다. 이것이 고화 계면을 위쪽으로 움직이게 하는 것이며, 주어진 수직 방향 범위내에서 고체/액체 계면을 유지하기 위해 지지층이 동시에 아래쪽으로 하강된다.

상기 방법은 유리하게도 필요에 따라 공급되는 원리에 따라 작동한다. 그래서, 필요한 액체 실리콘의 양이 크게 감소되어 공정의 안정성이 향상된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 성장분의 온도장은 시드층이 그의 용융 온도의 100℃ 이내의 온도를 갖도록 제어된다. 시드층은 공정 시작시에, 특히 공급원료가 공급 장치에 의해 시드층에 제공되기 전에 특히 시드층의 용융 온도의 100 ℃ 이내의 온도를 갖게 된다.

초기 단계 중에, 특히 시드층이 액체 공급원료 층으로 완전히 덮힌 후에 수직 방향 온도 구배, 즉 길이 방향 온도 구배를 증가시킬 수 있다. 수직 방향 온도 구배는 시드층과 공급원료 층 사이의 고체-액체 상 경계가 움직이지 않도록 증가될 수 있다. 다시 말해, 수직 방향 온도 구배는 정미(net) 고화가 없도록 증가된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 시드층 상에 제공되는 공급원료의 양은 공급원료의 액체층이 소정의 높이를 갖도록 조절된다. 지지부가 하강 중일 때, 특히 공급원료를 시드층 상에 제공하는 속도를 조절하여 액체 높이를 일정하게 유지한다. 공급원료를 제공하는 속도는 특히 정미 열제거의 강도 및 지지부의 하강 속도에 맞춰 조절된다.

액체상(liquid phase)의 높이는 1 mm ∼ 10 cm, 특히 5 mm ∼ 2 cm 범위에서 일정하게 유지될수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 공급원료는 액체 공급원료의 형태로 공급 장치에 의해 제공된다. 공급원료는 1410℃ ∼ 1500℃, 특히 1420℃ ∼ 1450℃ 범위의 온도로 제공될 수 있다.

공급원료는 바람직하게는 시드층의 단면에 대해 그 시드층의 중심부 근처에서 이 시드층 상에 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 시드층에서의 액체 공급원료의 구속은 주변 가열기에 의해 발생되는 전자기장의 도움을 받게 되는데, 그렇지 않으면 높은 표면 장력에만 기초하여 이루어질 것이다. 바람직하게는, 주변 가열기에 의해 발생되는 추가의 열은 바람직하게는 주변 가열기의 바로 아래에 위치되는 주변 냉각기, 특히 주변 냉각 루프에 의해 대처된다. 주변 가열기와 주변 냉각기를 함께 사용하면, 가장자리에서 고화 전선(front)을 좁은 공간내에 한정시키는데 도움이 된다. 일반적으로, 가장자리에서의 열구배는 주변 가열기와 냉각기 때문에 잉곳의 증간부에서 보다 가파를 수 있는데, 하지만 고체-액체 계면의 형상은 바람직하게는 가능한 한 평평하다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 고화된 공급원료와 액체 공급원료 사이의 상 경계는 지지부가 하강되고 있을 때 움직이지 않게 유지된다.

상부 가열기와 하부 냉각기의 특별한 배치에 의해, 특히 상부 가열기와 하부 냉각기 중의 적어도 하나를 적절히 제어함으로써, 평평한 상 경계, 즉 평평한 고화 계면이 유지된다.

특히, 상부 가열기와 하부 냉각기 중의 적어도 하나는, 성장분에서의 온도장이 최대 1 K/cm, 특히 최대 1 K/m, 특히 최대 10^-1 K/m의 횡방향 온도 구배를 갖도록 제어된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 지지부가 하강되는 중에 공급원료, 액체 공급원료가 연속적으로 공급된다. 진행되는 고화로 인해 바닥으로부터 액체층이 짧아지는 경향이 있으므로 공급원료를 특히 연속적으로 공급하여 액체 공급원료 층의 높이를 일정하게 유지시킨다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 공급 장치로부터 액체 공급원료를 추가하기 위해, 상기 공급 장치의 출구가 액체 공급원료의 층 안으로 도달하도록 조절된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 챔버는 공기가 배기되고 불활성 가스로 다시 채워지게 된다. 이는 바람직하게는 공정이 시작될 때, 특히 액체 공급원료가 시드판 상으로 공급되기 전에 행해진다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 온도장은 성장분(V_g)에서의 횡방향 온도 구배가 최대 10 K/mm가 되도록 제어된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 장치는 냉각 장치로부터의 열 추출률을 영(zero)에서부터 전(full) 냉각력까지 변화시킬 수 있는 유체 열 교환기를 더 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 시드층과 주변 가열기의 단면 형상은 직선적이고 서로에 대해 대략 90도를 이루는 기본적으로 곧은 측면을 가지며 또한 적어도 1 mm의 반경을 갖는 둥근 코너를 가지며, 시드층은 주변 가열기의 단면내에 있도록 옆에 위치된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 잉곳의 횡방향 크기는, 액체 공급원료의 단면적을 증가 또는 감소시키기 위해 시드 결정과 주변 가열기 사이의 틈을 모니터링하고 또한 필요에 따라서는 주변 가열기의 전류를 제어하여 성장 중에 제어된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 고화 속도는 액체/고체 계면의 위치를 모니터링하고 또한 가열 장치와 냉각 장치 사이의 정미(net) 에너지 흐름에 대한 능동 피드백 제어 루프를 사용하여 능동적으로 제어된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 공급원료 재료는 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소, 산화알루미늄, 인듐 비소, 실리콘 게르마늄, 다른 반도체, 폴리머 및 액상의 전이 금속 산화물로 된 그룹에 포함된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 시간 변화 전류를 상부 가열 장치에 가하여 액체 공급원료 층에 소정의 유동 패턴을 발생시킨다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상부 가열기에 흐르는 시간 변화 전류는, 액체 공급원료가 액체 공급원료 층의 중심부로부터 코너로 흐르는 유동 패턴이 적어도 일부 기간 중에 액체 공급원료 층에서 생기도록 제어된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 액체 공급원료의 고화되는 층은 모니터링 장치로로 모니터링된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 모니터링 장치에서 주어지는 신호에 따라, 성장분(V_g)에서 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단 중의 적어도 하나의 작동, 공급 장치로부터 액체 공급원료를 추가하는 속도, 주변 가열기의 작동, 주변 냉각기의 작동 및 상기 지지부를 하강시키는 속도를 제어한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 모니터링 장치에서 주어지는 신호에 따라, 액체 공급원료 층의 높이가 조절된다.

본 발명의 다른 양태 및 상세한 점을 도 1 ∼ 13 을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시 형태의 단면도를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시 형태의 개략적인 부분 단면도를 나타낸다.
도 3 은 공정이 시작될 때 도 2 에 따른 실시 형태의 단순화도를 나타낸다.
도 4 는 좀 더 나중이지만 여전히 공정의 초기 단계 중에 있는 도 3 에 따른 도를 나타낸다.
도 5 는 상부 가열기의 일 실시 형태와 그의 전기적 연결을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6 은 상부 가열기의 다른 실시 형태의 도 5 에 따른 도를 나타낸다.
도 7 은 상부 가열기의 또 다른 실시 형태의 도 5 에 따른 도를 나타낸다.
도 8 은 본 발명에 따른 상부 가열기로 액체층에 발생될 수 있는 유동 패턴을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9 는 고화되는 액체층을 모니터링하기 위한 모니터링 장치의 일 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 10a ∼ 10c 는 결정의 성장에 대한 메니스커스 각도의 영향을 시각적으로 보여주기 위해 고화되는 액체층을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11 은 도 10b 에 따른 도를 나타낸 것으로, 더욱 현실적인 상 경계가 나타나 있다.
도 12 는 고화되는 잉곳을 둘러싸는 링 가열기의 상면도를 나타낸다.
도 13 은 도 12 의 XIII 부분의 확대도를 나타낸다.

도 1 에 나타나 있는 실시 형태에 따르면, 잉곳, 특히 실리콘 잉곳 제조 장치(1)는 제어가능한 분위기를 제공하는 챔버(2)를 포함한다. 이 챔버(2)는 길이 방향(5)으로 서로 떨어져 있는 정상부(3) 및 바닥부(4)를 갖는다.

상기 챔버(2)의 바닥부(4)는 바닥판으로 되어 있다. 정상부(3)는 뚜껑으로 되어 있는데, 하지만 용융분(melting volume)으로부터 성장분(growth volume)을 분리하는 열분리 층으로 구성될 수 있다. 챔버(2)는 측벽(20)을 더 포함하며, 이 측벽은 길이 방향(5)으로 연장되어 있다. 측벽(20)은 바람직하게는 바닥부(4) 및 선택적으로는 정상부(3)와 기밀한 연결을 이룬다. 측벽(20)을 따라서는 열절연부(21)가 있다. 이 절연부(21)는 알루미나 섬유, 탄소 섬유 또는 다른 적절한 열절연재로 만들어질 수 있다.

챔버(2)의 바닥부(4)에는 배출부(22)가 있다. 챔버(2)는 그 배출부(22)를 통해 가스 교환 장치(23)에 연결된다. 따라서 상기 챔버는 제어가능한 분위기를 제공한다. 가스 교환 장치(23)는 챔버(2)를 배기시키는 진공 장치일 수 있다. 일반적으로, 가스 교환 장치(23)는 챔버(2) 내부의 분위기를 제어하는 수단을 형성한다.

또한, 상기 장치(1)는 지지부(6)를 포함하는데, 이 지지부는 시드(seed) 층(7) 및 이 시드층(7) 위에서 고화되는 실리콘 블럭(11)을 지지하기 위한 것이다. 상기 지지부(6)는 챔버(2)에 대해 길이 방향(5)으로 움직일 수 있다.

상기 장치(1)는 가열 장치(8) 및 냉각 장치(9)를 더 포함한다. 이들 가열 장치(8) 및 냉각 장치(9)는 챔버(2) 내부의 주어진 성장분(V_g)에서 온도장을 제어하는 수단을 형성한다. 상기 가열 장치와 냉각 장치는 특히 길이 방향(5)의 온도 구배를 갖는 온도장을 제어하는 수단이다.

또한 상기 장치(1)는 상기 시드층(7) 또는 이 시드층(7) 위에서 이미 고화되어 있는 실리콘 블럭(11) 상으로 재료를 제어가능하게 공급하기 위한 공급 장치(10)를 포함한다. 후자의 경우 상기 재료는 시드층(7) 상으로 공급되는 것으로 또한 이해한다.

상기 시드층(7)은 하나 이상의 시드판(12)을 포함한다. 이 시드판은 바람직하게는 단결정 재료로 만들어지지만, 결정들이 일정한 순서로 배열된 것일 수도 있다. 시드판은 특히 실리콘, 특히 단결정질 실리콘이다. 하나 이상의 시드판(12)은 단일의 실리콘 블럭을 절단하여 얻어질 수 있다.

상기 시드층(7)은 제조될 잉곳의 단면적에 대응하는 단면적을 갖는다. 시드층은 바람직하게는 둥근 코너를 갖는 직사각형, 특히 정사각형 단면을 갖는다. 시드층(7)은 날카로운 코너가 없는 외주 형상을 갖는다. 이 시드층은 특히 적어도 1 mm, 특히 적어도 3 mm의 코너 반경(R)을 갖는다.

시드층(7)의 단면은 20 cm ∼ 80 cm, 특히 30 cm ∼ 65 cm 범위의 측면 길이를 갖는다. 원리적으로, 단면의 치수에 대한 제한은 없다. 상기 측면 길이는 바람직하게는 잉곳을 절단하여 얻어지는 웨이퍼의 측면 길이의 정수배이다. 시드층(7)은 바람직하게는 적어도 0.05 m², 특히 적어도 0.2 m^2,, 특히 적어도 0.4 m² 의 단면적을 갖는다.

상기 지지부(6)는 받침부(13)를 포함한다. 이 받침부(13)는 운동 구동기(14)에 기계적으로 연결되어 있다. 받침부는 그 운동 구동기(14)에 의해 길이 방향(5)을 따라 움직일 수 있다. 받침부(13)는 길이 방향(5)으로 적어도 25 cm, 바람직하게는 적어도 40 cm, 바람직하게는 적어도 60 cm 의 이동 범위를 갖는다. 받침 기둥(13)은 냉각 유체가 냉각층(9)까지 전달될 수 있게 해주도록 되어 있다. 또는, 냉각 블럭이 가변 개구를 통해 측벽(20)과 같은 유체 냉각식 표면에 열을 방사할 수 있다.

상기 지지부(6)는 원주방향 가장자리(17)를 갖는 구속 트레이(15)를 더 포함한다. 상기 가장자리(17)는 길이 방향(5)으로 적어도 1 cm, 특히 적어도 3 cm의 높이를 갖는다.

상기 구속 트레이(15)는 길이 방향(5)에 수직한 방향의 단면적을 갖는데, 이 단면적의 크기는 시드층(7)의 단면적의 적어도 2배, 특히 적어도 3배이다. 구속 트레이(15)는 액체 실리콘을 유지하기 위한 용적을 제공한다. 이 용적은 적어도 1 L, 특히 적어도 2 L, 특히 적어도 3 L 이다. 구속 트레이(15)는 유출된 액체 실리콘으로부터 챔버(2)의 하부와 받침부(13)를 보호해 준다.

스펀지형 구조체(16)가 상기 원주방향 가장자리(17)를 따라 배치되어 있고 전체 용적을 채울 수 있다. 이 스펀지형 구조체(16)는 유출된 실리콘을 흡수하는 스펀지를 형성한다.

상기 지지부(6)는 구속 트레이(15) 위에 배치되는 가열기/절연부 적층체(18)를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 이 가열기/절연부 적층체(18)는 냉각 장치(9)와 시드층(7) 사이에 배치된다.

지지부(6)는 지지판(19)을 더 포함한다. 이 지지판(19)는 흑연이나 탄화규소 또는 심지어 규소로 만들어질 수 있다. 시드층(7)은 지지판(19) 위에 배치된다. 바람직하게는, 시드층(7)과 지지판(19)은 최대 10 %, 특히 최대 5 %, 특히 최대 1 %의 단면적 차를 갖는다.

상기 냉각 장치(9)는 또한 지지부(6)의 일 부분일 수 있다. 이 냉각 장치는 받침부(13)와 구속 트레이(15) 사이에 배치된다.

상기 가열 장치(8)는 시드층(7)의 위쪽에 배치된다. 따라서 이 가열 장치는 받침부(13)로부터 시드층(7)의 반대쪽에 배치된다. 가열 장치(8)는 종류에 있어 유도식 또는 저항식일 수 있다. 가열 장치(8)는 길이 방향(5)에 수직한 방향으로의 외측 단면적을 갖는데, 이 단면적은 시드층(7)의 단면적의 40 % 이내이고 그 보다 약간 더 크거나 작을 수도 있다. 상기 가열 장치는 잉곳에서 무시가능한 정미(net) 횡방향 온도 구배를 갖는 온도장을 발생시키도록 설계되어 있다. 잉곳에서 횡방향 온도 구배는 바람직하게는 최대 10 K/m, 특히 최대 1 K/m, 특히 최대 10^-1 K/m로 제어될 수 있다.

가열 장치(8)는 전력 제어기(24)로 제어가능하다. 가열 장치(8)는 탄화규소로 코팅된 흑연으로 만들어질 수 있다. 가열 장치는 지지층(37)에 의해 지지될 수 있다. 유도식(inductive) 가열 장치(8)의 경우에 지지층(37)은 알루미나 또는 석영으로 만들어질 수 있다. 복사식(radiative) 가열 장치(8)의 경우에 지지층(37)은 탄화규소(SiC), SiC로 코팅된 흑연 또는 질화붕소(BN)로 코팅된 흑연으로 만들어질 수 있다. 탄화규소(SiC) 또는 SiC로 코팅된 흑연으로 만들어진 지지층(37)은 SiC가 가열기 루프를 우회하지 않도록 만들어진다. 지지층(37)은 특히 가열 장치(8)로부터 전기 절연된다. 지지층(37)은 또한 가열 장치(8)가 액체 실리콘으로 오염될 위험을 줄여주는 역할을 한다. 또는, 가열기는 그의 전력 리드(lead)로 현가되어 용융물의 상방에서 자유롭게 매달려 있을 수 있다.

상기 냉각 장치(9)는 바람직하게는 열제거 강도의 제어가능한 변화를 가능하게 해준다. 냉각 장치(9)는 냉각 싱크(sink)를 형성한다. 냉각 장치는 열교환 블럭으로 형성될 수 있다. 이 냉각 장치는 능동적인 제어가능한 요소, 예컨대 열교환 블럭 내에서 냉각 유체를 제어가능하게 순환시킬 수 있게 해주는 수단을 포함할 수 있다.

냉각 장치(9)는 성장분(V_g)에서의 횡방향 온도 구배가 최대 1 K/cm, 특히 최대 1 K/m, 특히 최대 0.1 K/m로 제어될 수 있도록 설계된다.

상기 공급 장치(10)는 시드층(7) 또는 이미 고화된 실리콘 블럭(11) 상으로 액체 실리콘을 공급하기 위한 공급관(25)을 포함한다. 공급 장치(10)는 액체 실리콘을 유지하기 위한 저장부를 포함한다. 공급 장치는 실리콘을 용융시키기 위한 수단을 포함할 수 있다. 공급 장치(10)에 의해 챔버(2)에 공급되는 액체 실리콘을 제조될 실리콘 잉곳을 위한 공급원료라고 한다.

상기 장치(1)는 주변 가열기(26)를 더 포함한다. 여기서 설명하는 이 주변 가열기는 단권(single-turn) 유도식 가열 코일(27)을 포함한다. 주변 가열기(26)는 단면의 코너에서는 제외하고 시드층(7)의 외주에 가깝게 일치하는 내주를 갖고 있으며, 상기 코너에서 주변 가열기가 잉곳으로부터 벗어날 수 있다. 시드층(7)의 외주와 주변 가열기(26)의 내주 사이에는 0.2 mm ∼ 10 mm 범위의 폭을 갖는 틈(28)이 있다. 가열 코일(27)은 전력 공급부에 전기적으로 연결되고, 이 전력 공급부는 AC 전원(29) 및 선택적인 DC 전원을 포함한다. 가열 코일(27)은 수냉식 구리 코일일 수 있다. 대안적으로, 가열 코일은 AC 전원(29)에서 주어진 AC 전력을 전달할 수 있고 또한 높은 온도, 특히 적어도 실리콘의 용융 온도, 특히 적어도 1450℃까지의 온도에서 작동할 수 있는 내화재로 이루어질 수 있다. 액체와 가열기 사이의 상기 틈(28)은 자기장의 강도로 제어될 수 있으며, 이 자기장의 강도는 가열기에 주어지는 전류로 제어된다. 액체 표면의 반경이 코너에서 더 작고 또한 전자기장이 또한 크기 때문에, 주변 가열기와 액체 사이의 틈은 코너에서 증가될 수 있다. 이는 주변 가열기를 코너에서 볼록하게 성형하여 거기서 시드 결정 형상에서 벗어나도록 하여 보상될 수 있다. 틈 간격을 원하는 제어 범위로 유지하기 위해, 상기 틈을 보는 관찰 장치가 주변 가열기 전력과 피드백될 수 있다.

상기 장치(1)는 주변 냉각기(30)를 더 포함한다. 이 주변 냉각기(30)는 냉각 루프로 설계되어 있다. 주변 냉각기는 의도하는 고화선(solidification line; 31), 즉 이미 고화된 실리콘 블럭(11)과 그 위에 있는 액체 공급원료 층(32) 사이의 상(phase) 경계 바로 아래에 위치된다. 주변 냉각기(30)는 고화 전선(front)에서 열 구배를 정밀하게 제어하는데 사용된다. 주변 냉각기는 냉각 유체, 특히 냉각 액체 또는 냉각 가스를 위한 저장부(33)에 유체 연결되어 있는 관을 포함할 수 있다. 이 냉각 유체는 주변 냉각기(30)의 관을 통과해 순환할 수 있다.

주변 냉각기(30)는 길이 방향(5)으로 주변 가열기(26)에 인접하여 배치된다. 주변 냉각기는 주변 가열기(26) 바로 아래에 배치된다. 바람직하게는, 주변 가열기(26)는 길이 방향(5)으로 최대 10 cm, 특히 최대 5 cm, 특히 최대 3 cm의 거리를 두고 주변 냉각기(30)의 위쪽에 배치된다.

주변 냉각기(30)는 주변 가열기(26)와 동일한 내부 단면적을 가질 수 있으며, 또는 잉곳 형상에 더욱 가까이 일치할 수 있다. 바람직하게는 주변 냉각기(30)는 시드층(7)의 외주에 맞는 내주를 갖는다. 이리하여, 주변 냉각기(30)와 시드층(7)의 외주 또는 이미 고화된 실리콘 블럭(11) 사이에는 횡방향으로 0.2 mm ∼ 10 mm 범위의 폭을 갖는 틈(34)이 있게 된다. 다시 말해, 주변 냉각기(30)는 실리콘 블럭(11)에서 떨어져 있다. 따라서, 주변 냉각기는 그 실리콘 블럭(11)과직접 물리적 접촉을 하지 않는다.

상기 장치(1)는 또한 가스 저장부(36)에 연결되는 가스 입구(35)를 더 포함한다. 이 가스 입구(35)에는 상기 가스 저장부(36)로부터 불활성 가스가 도입될 수 있다. 불활성 가스로서 아르곤이 사용될 수 있다. 가스 입구(35)는 시드층(7)의 위쪽에 배치된다. 가스 입구는 성장 챔버(2)의 정상부(3)에 배치된다. 가스 입구(35)는 액체 실리콘 층(32)을 가로지르는 균일한 불활성 가스 유동이 일어나도록 설계되어 있다. 따라서, 가스 입구는 산화실리콘(SiO) 가스를 제거하는데 적합하다.

이하, 본 발명에 따른 장치(1)의 사용을 설명한다. 이 장치(1)는 실리콘 블럭(11)(또한 실리콘 잉곳(11)이라고도 함)의 제조 방법에 사용된다. 본 방법이 실리콘에 대해 설명되겠지만, 이 방법은 반도체성, 절연성 또는 금속성의 다른 다양한 결정질 재료에도 적용된다. `

먼저, 전술한 설명에 따른 장치(1)를 제공한다. 특히, 챔버(2) 내부의 성장분(V_g)에서 길이 방향(5)의 온도 구배를 갖는 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단, 시드층(7)을 위한 지지부(6) 및 제어가능한 공급 장치(10)를 갖는 챔버(2)가 제공된다. 시드층(7)은 지지부(6) 상에 배치된다. 시드층은 특히 지지판(19) 상에 배치된다.

시드층(7), 특히 하나 이상의 시드판(12)이 냉각 장치(9) 위에 있는 지지판(19) 상에 배치된다.

그런 다음, 시드층(7)이 주변 가열기(26)에 가까히 가도록 받침부(13)를 상승시킨다. 특히, 시드층(7)은 주변 가열기(26)까지의 거리가 최대 1 cm 이내로 있게 되며, 시드층의 정상부는 심지어 주변 가열기의 바닥의 높이를 넘을 수 있다. 시드층(7)은 횡방향 틈(28)이 그 시드층의 모든 쪽에서 균일하게 되도록 배치된다.

챔버(2)에서 공기를 제거하고 가스 교환 장치(23)를 사용하여 불활성 가스를 그 챔버에 다시 채운다.

가열 장치(8)가 작동되고, 또한 시드층(7), 특히 적어도 하나의 시드판(12)이 용융 온도의 100℃ 이내, 바람직하게는 그 용융 온도의 20℃ 이내로 가열되도록 제어된다.

또한 냉각 장치(9)를 사용하여 아래쪽에서 냉각을 할 수 있다. 그러나, 수직 방향 온도 구배는 센티미터 당 최대 십분의 수 도, 더 바람직하게는 5 K/cm 미만으로 낮게 유지된다. 또한 바람직하게는, 가열 장치(8)와 냉각 장치(9) 중의 적어도 하나는 정미 횡방향 온도 구배가 가능한 영(zero)에 가깝게 되도록 제어된다. 성장분(V_g)에서의 정미 횡방향 온도 구배는 1 K/cm 아래, 특히 1 K/m 아래, 특히 0.1 K/m 아래로 유지된다.

그리고, 실리콘 공급원료가 공급 장치(10)에 의해 위쪽에서 공급관(25)을 통해 도입된다. 실리콘 공급원료는 바람직하게는 시드층(7)의 중심부에 도입된다. 실리콘 공급원료는 바람직하게는 용융된 상태, 즉 액체로 도입된다. 공급원료는 원하는 저항률이 얻어지도록 도핑(doping)될 수 있다. 공급원료는 액체층(32)이 전제 시드층(7), 특히 전체 시드판(12)을 덮을 때까지 공급 장치(10)에 의해 도입된다. 공급원료는 상기 층(32)이 수 mm ∼ 수 cm의 액체 기둥 높이를 가질 때까지 도입된다. 상기 층(32)의 액체 높이는 특히 1 mm ∼ 5 cm, 특히 3 mm ∼ 2 cm 이다. 층(32)은 전체 단면에 걸쳐 균일한 높이를 갖는다. 도입되는 공급원료는 바람직하게는 1410℃ ∼ 1450℃ 범위의 온도를 갖는다.

실리콘의 표면 장력은 6 mm ∼ 10 mm의 액체 헤드 높이의 층(32)을 포함하기에 충분하다. 그 보다 더 높은 높이를 갖는 층(32)을 얻기 위해, AC 전원(29)으로부터 주변 가열기(26)에 공급되는 AC 전력을 통한 전자기적 구속을 사용할 수 있다. 층(32)의 액체 높이가 8 mm 아래로 유지되면, 주변 가열기(26)의 작동 없이 잉곳을 제조할 수 있다. 또한, 주변 가열기(26)는 고화되는 실리콘 블럭(11)의 횡방향 치수를 제어하기 위해 피드백 방식으로 작동될 수 있다.

일단 이러한 상황이 이루어지고 안정화되면, 비정미 고화를 유지하기 위해 냉각 싱크, 즉 냉각 장치(9)로부터의 열 구배를 위쪽에서 가열 장치(8)로부터 주어지는 열로 증가시킬 수 있다. 다시 말해, 시드층(7)과 공급원료의 액체층(32) 사이의 고체-액체 상 경계(31)가 움직이지 않도록 성장분(V_g)에서의 수직 방향 온도 구배를 증가시킬 수 있다. 열 구배는 주어진 작업 구배가 도달되어 안정화될 때까지 조절, 특히 증가될 수 있다.

그리고, 가열과 냉각의 균형은, a) 하방 냉각을 증가시키거나, b) 상방 가열을 감소시켜서 또는 c) 이들 둘다를 병행하여 변화될 수 있다. 정미 열 추출 때문에, 액체 실리콘이 고화되기 시작하고 고체/액체 계면이 위로 움직이기 시작하게 된다. 이때, 받침부(13)를 하강시켜 공급원료의 액체층(32)의 바닥을 동일한 수직 방향 높이로 유지한다. 동시에, 추가의 공급원료가 위쪽에서 공급 장치(10)에 의해 도입되어 액체층(32)의 정상부를 원하는 제어 범위로 유지시킨다. 공정이 진행됨에 따라, 받침부(13)를 하강시켜 가열 장치(8)와 공급 장치(10)로부터 시드층(7)을 빼낸다. 받침부(13)는 특히 고화된 실리콘 블럭(11)과 공급원료의 액체층(32) 사이의 상 경계(31)가 움직이지 않게 유지되도록 하강된다. 또한, 받침부(13)가 하강될 때, 공급 장치(10)에서 공급원료를 추가하여 층(32)의 액체 높이를 일정하게 유지시킨다. 특히, 지지부(6), 특히 받침부(13)가 하강될 때 공급원료가 연속적으로 공급된다. 특히, 공급원료의 액체층(32)의 높이를 일정하게 유지하기 위해 공급원료는 연속적으로 공급된다. 따라서, 성장분, 특히 상 경계(31)에서의 고화 조건이 준정적(quasi-static)으로 유지된다. 이는 두 가지의 다른 제어 방안으로 달성될 수 있다. 첫번째의 경우, 가열 및 냉각 균형은 시간이 지나도 설정된 방안으로 유지되며 받침부(13)는 고체/액체 계면 위치와 피드백되어 움직여 준정적 상태를 유지한다. 보다 바람직하게는, 받침부(13)는 정해진 계획에 따라 아래로 움직일 수 있고 가열기(8) 및/또는 냉각 블럭(9)은 주어진 위치를 유지하기 위해 고체/액체 계면 위치와 피드백될 수 있다.

실리콘이 고화되고 있을 때, 가열 장치(8)와 냉각 장치(9) 사이의 열 흐름의 차는 고화되는 실리콘의 용융열의 것과 동일하게 유지된다. 이렇게 해서, 전체 단면이 동시에 고화되어, 바람직하게도 매우 평평한 고화선(31)이 유지된다. 이 고화선(31)은 길이 방향(5)으로 10 mm 미만, 특히 3 mm 미만, 특히 1 mm 미만으로 특히 평평하다.

주변 가열기(26)에 의해 도입되는 추가의 열은 주변 냉각기(30)를 작동시켜대처할 수 있다. 이렇게 하여, 고화 전선은 가장자리에서 좁은 공간내에 한정될 수 있다.

일단 잉곳의 본체가 원하는 높이(1.5 m 이상으로 될 수 있음)까지 고화되면, 액체 실리콘의 공급을 중단하고 액체층(32)이 제어가능한 방식으로 고화되게 한다. 액체가 고체의 수지상(dendritic) 조직에 잡히는 것을 피하기 위해 특별한 주의가 필요하다. 잉곳의 정상 표면이 고화됨에 따라, 고체 영역은 방사율의 급격한 변화 때문에 액체 보다 상당히 더 많은 열을 방출하게 된다. 보상 조절이 없으면, 나머지 액체가 과냉각되기 시작할 것이고 또한 수지상으로 고화되기 시작할 수 있는데, 그 결과, 더 높은 응력이 발생되고 또한 액체가 잡힐 수 있다. 최근에 고화된 재료에서 방출되는 더 많은 열 흐름에 대처하고 또한 바람직하게는 중심에서 코너쪽으로 또는 더 바람직하게는 코너에서 중심쪽으로 일어나는 규칙적인 고화 종료를 유지하기 위해, 그 단계 중에 상방 가열을 증가시킬 수 있다.

이때, 잉곳은 실온 가까이로 냉각되어 노에서 제거될 수 있다. 새로운 시드층이 배치될 수 있고 공정이 다시 시작될 수 있다.

본 발명의 장치와 공정에는 몇가지 이점이 있다. 먼저, 고순도의 잉곳을 얻을 수 있다는 것이다. 새로운 고순도의 아르곤이 표면을 가로질러 전달된다는 것을 제외하고는, 용융된 공급원료는 일단 전달되면 어떤 지점에서도 비실리콘 재료와 접촉하지 않는다. 도가니가 없다는 것은, 결정내의 오염물(특히, 산소 및 철) 레벨이 초크랄스키 및 다결정질 결정 성장법에서 나타나는 것 보다 상당히 낮을 수 있음을 의미한다. 표면을 휩쓰는 새로운 아르곤의 공급은 공급원료에 존재하는 산소의 대부분을 증발시키는 역할을 한다. 이러한 고순도로 인해, 소수(minority) 캐리어의 수명이 향상될 수 있고 또한 태양 전지의 효율 레벨이 개선될 수 있다.

상기 공정의 정사각형 구조에 의해, 이 방법으로 제조되는 잉곳으로부터 얻어지는 실리콘 공급원료의 수율이 높게 된다. Cz 및 FZ 방법 모두는 기본적으로 둥근 결정의 형성에 제한되는데, 여기서, 더 나은 태양 모듈 패킹 밀도를 갖는 "의사(pseudo) 정사각형"을 얻기 위해 재료의 30%가 일반적으로 웨이퍼 절단 공정 전에 제거된다. 잉곳의 바닥(Cz 및 FZ 에서와 같은 측면 대신에)으로부터의 균일한 일방향 열 추출에 의해, 여러 개(적어도 두개, 더 바람직하게는 4 ∼ 16 개)의 블럭으로 된 단면을 갖는 잉곳이 고화될 수 있고, 그리하여, 동등한 4 ∼ 16개의 Cz 잉곳들이 병렬로 성장될 수 있다. 공정 중에 미립자가 없고 또한 응력 집중을 최소화하는 평평한 열 구배가 있기 때문에, 선형 성장 속도는 Cz 수준에 필적하여 8 cm/h 까지 될 수 있고, 그리하여 단결정 성장에 대해서는 비교가 안 되는 처리 능력(예컨대, 16-블럭 잉곳에 대해 최대 76 kg/h)을 얻을 수 있는 것으로 생각된다.

이 공정에서는 미립자 제어가 또한 바람직하다. 작은 외래 미립자가 액체 표면에 도달하면, 이 미립자는 표면 장력에 의해 그 액체 표면에 유지되기 쉽다. 보통, 마랑고니 대류(Marangoni convection)에 의해 이들 미립자는 상기 표면을 따라 고체/액체 계면(즉, 가장 저온인 지점)쪽으로 가게 되는데, 하지만 실리콘 둘레에 유도 전류가 존재하면, 이들 부유 입자는 실리콘에서 용해될 때까지 액체의 중심부에 유지된다. 이렇게 해서, 이들 입자는 액체에서 용해된 불순물의 레벨을 증가시킬 수 있지만, 단결정 구조의 더욱 심한 파괴는 일으키지 않는다.

전위(dislocation)와 관련하여, 이 공정은 저 레벨의 전위를 갖는 잉곳을 제조할 수 있는 것으로 생각된다. 다른 곳에서 밝혀진 바로, 액체를 준 평형 열 시스템에 도입할 때 주의를 기울이면 전위 핵형성 없이 큰 면적의 시드를 사용할 수 있다. 시드층의 예열은 전위가 없는 시딩(seeding) 공정의 성공에 중요하며, 시드층의 준비는 예컨대 시드판 사이의 이음부에 큰 전위 집단이 도입되는 것을 피하는데 있어 중요하다. 그러나, 가장 바람직하게는, 시드판은 큰 단결정으로 형성되지, 작은 시드 결정 판들을 결합하여 형성되지 않는다. 확실히, 이 공정에서 성공적으로 성장된 잉곳을 절단하여, 다음 잉곳에서 사용될 하나 이상의 시드판을 얻을 수 있다.

앞에서 설명한 공정에 따라 성장된 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 얻을 수 있는데, 이러한 웨이퍼는 많은 이점을 갖는다. 그 웨이퍼는 단결정질이다. 이 웨이퍼는 수직 방향 구배 동결(VGF-) 공정에 따라 성장된 잉곳을 절단하여 얻은 웨이퍼 보다 작은 전위 밀도를 갖는다. 웨이퍼의 전위 밀도는 특히 10³ cm^-2 보다 작고, 특히 10² cm^-2 보다 작다. 동시에, 상기 웨이퍼는 초크랄스키 성장된 결정을 절단하여 얻어진 웨이퍼와 다르다. 상기 웨이퍼는 일반적으로 적어도 1 cm^-2, 특히 적어도 5 cm^-2, 특히 적어도 10 cm^{- 2} 인 전위 밀도를 갖는다. 이 전위 밀도는 웨이퍼가 Secco 에칭을 받은 후에 에지 피트(edge pit)의 갯수를 세어서 측정할 수 있다. 이 방법은 종래 기술에 알려져 있는 것이다: 자세한 배경 지식을 위해서는 Journal of the Electrochemical Society , 119,948(1972)에 소개된 F. Secco d'Aragona 의 논문을 참조하면 된다.

또한, 잉곳의 결정화 중에 상 경계의 형상을 제어하여, 그 상 경계가 기본적으로 평평하게 되도록 할 수 있다. 이 상 경계는 5 mm 미만의 굽힘을 보인다. 특히, 그 상 경계는 적어도 156 mm x 156 mm의 면적에 대해 5 mm 미만의 굽힘을 보인다. 이는 웨이퍼에서도 나타날 수 있다. 상 경계의 굽힘 또는 편향은 특히 잉곳의 표면 및 그래서 웨이퍼의 표면에 나타나는 가는 줄로부터 볼 수 있고 측정될 수 있으며 또한 재구성될 수 있다. 이러한 가는 줄은 횡방향 광전압(photovoltage) 스캐닝으로 측정될 수 있다.

웨이퍼의 실리콘은 5 x 10¹⁶ 원자/cm³ 미만의 격자간 산소 함량을 가질 수 있다. 웨이퍼의 실리콘은 1 x 10¹⁵ 원자/cm³ 미만의 질소 함량을 가질 수 있다. 이는 단일 질소 원자, 질소 이분자체(N-N) 및 두개의 질소 원자와 하나의 산소 원자로 된 삼분자체(N-N-O)를 포함한다.

본 발명에 따르면, 잉곳은 4개의 개별적인 축방향 기둥체로 분할되기에 충분히 크며, 그 기둥체를 절단하여 웨이퍼를 얻을 수 있다. 잉곳의 가는 줄과 다른 구조적 특성 및 전기적 특성은 잉곳의 길이 방향 중심 축선에 대해 회전 대칭성을 보이므로, 잉곳을 4개의 기둥체로 분할하면 정사각형 웨이퍼가 얻어지며, 이 웨이퍼의 특성은 그의 대각선, 특히 웨이퍼상의 가는 줄 중의 하나에 대해 거울 대칭성을 나타내며 또한 웨이퍼의 저항률은 웨이퍼의 대각선들 중의 하나에 대해 거울 대칭성을 보일 수 있다.

추가로, 상 경계의 굽힘이 생기면 잉곳의 단면 및 이 잉곳을 절단하여 얻은 웨이퍼에서 비저항의 변동이 생길 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 공정에 따라 제조된 잉곳을 절단하여 얻어진 웨이퍼에서는 그의 표면에서의 비저항의 변동률이 낮게 된다. 웨이퍼의 표면이 4개의 사분(quarter) 영역 분할되면, 웨이퍼의 표면에서 비저항의 변동률은 특히 적어도 3개의 사분 영역에서, 특히 전체 표면에서 5% 미만, 특히 3% 미만이 된다. 비저항은 1 Ωcm ∼ 5 Ωcm, 특히 1.5 Ωcm ∼ 3 Ωcm 일 수 있다. 따라서, 적어도 3개의 사분 영역, 바람직하게는 4개의 모든 사분 영역에서 저항률의 편차는 0.25 Ωcm 미만, 특히 0.1 Ωcm 미만, 바람직하게는 0.06 Ωcm 미만이다.

웨이퍼는 (140 mm)²이상, 특히 (156 mm)² 이상, 특히 (180 mm)² 이상, 특히 (200 mm)² 이상, 특히 (250 mm)² 이상, 특히 (300 mm)² 이상의 크기를 가질 수 있다.

이 공정의 마지막 한 이점은 고온 영역의 정적 특성이다. 일반적인 작업 중에, 액체 높이, 용적 및 위치 모두는 기본적으로 가열기와 절연부에 대해 정적이다. 시스템에서 유일하게 변하는 변수는 성장되는 잉곳의 높이 및 냉각 장치(9)로부터의 액체의 대응 거리이다. 공정 내내 준 정적 열 구배를 유지하기 위해, 냉각 블럭의 온도는 이 냉각 블럭이 하강함에 따라 지속적으로 감소되어야 한다. 또한, 공정의 안정성을 최대화하기 위해서는, 액체 표면의 교란이 최소로 되도록 또한 가능한 한 연속적인 흐름으로 공급원료 액체를 도입시키는 것이 중요하다. 정적인 용융물분 때문에, 성장된 잉곳의 대부분에는 축방향 도펀트 농도 편차가 없다. 따라서, 그 잉곳은 그의 축선을 따라 일정한, 즉 균일한 도펀트 농도를 갖게 된다.

이하, 상기 장치(1) 및 그의 일부 부품의 대안적인 실시 형태를 도 2 를 참조하여 더 자세히 설명하도록 한다. 도 2 에 나타나 있는 실시 형태에 따르면, 공급 장치(10)는 고체 실리콘 조각(42)을 담아 용융시키기 위한 원통형 용기(41)를 포함한다. 이 용기(41)는 석영 유리로 만들어질 수 있다. 용기(41)는 그의 하부에서 깔대기 형상으로 될 수 있다. 그 용기는 공급관(25)을 포함한다. 상기 원통형 부분, 깔대기형 부분 및 공급관(25)은 일체적으로 만들어질 수 있다.

상기 용기(41)는 고체 실리콘 조각(42)을 가열하여 용융시키기 위한 가열 장치(43)로 둘러싸여 있다. 이렇게 해서 용융된 실리콘은 상부 가열기(8)의 중앙 개구(44)를 통과하는 상기 공급관(25)을 지나 흘러 액체 실리콘 층(32)으로 갈 수 있다. 이 층(32)은 이미 고화된 실리콘 블럭(11)의 상단부에서 용융 캡을 형성한다.

상기 상부 가열기(8)는 상기 용융 캡을 가열하도록 설계되어 있다. 상부 가열기는 독립적으로 제어가능한 3개의 다른 부분(45)들을 포함한다. 다른 수의 부분(45)도 가능하다. 가열기(8)는 바람직하게는 적어도 2개, 특히 적어도 3개의 부분(45)을 포함한다. 가열기(8)는 고화되는 실리콘 블럭(11)의 단면적에 대응하고 이를 결정하는 기하학적 구조를 갖는다. 가열기(8)에 대한 더 자세한 사항은 뒤에서 설명할 것이다.

이하, 본 방법의 일부 상세를 도 3 및 4 를 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다.

공정의 시작시에 상기 시드판(12)이 지지부(6)에 배치되어 시드층(7)을 형성한다. 상부 가열기(8)를 작동시켜, 시드층(7)의 상부 표면에 얕은 용융물 풀(pool)(46)을 형성한다.

시드판(12)은 바람직하게는 단결정 구조를 갖는다.

시드판(12)은 길이 방향(5)으로 1 cm ∼ 3 cm, 특히 2.5 cm ∼ 3 cm 범위의 높이(h)를 갖고, 용융물 풀(46)은 0.1 mm ∼ 3 mm, 특히 0.5 mm ∼ 2 mm 의 깊이(d)를 갖는다.

바람직하게는, 길이 방향(5)에 수직한 방향으로의 시드층(7)의 연장은 상부 가열기(8)의 연장 보다 크다.

용융물 풀(46)이 형성된 후에, 상부 가열기(8)의 중앙 개구(44)를 통과하는 상기 공급관(25)을 통해 액체 실리콘이 추가된다. 액체 실리콘의 높은 표면 장력 때문에, 약 8 mm의 최대 높이(h_s)를 갖는 용융 캡(molten cap)이 형성된다. 받침부(13)(도 3 및 4 에는 나타나 있지 않음)의 위치는, 액체 실리콘 층(32)의 표면과 상부 가열기(8) 사이에 0.5 cm ∼ 2 cm 범위의 거리가 있도록 조절된다.

상부 가열기(8)는, 중앙 부분(45₁)의 가열력이 중간 부분(45₂)에서의 가열력 보다 높고 또한 이 중간 부분의 가열력은 최외측 부분(45₃)에서의 가열력 보다 높도록 제어된다. 가열력이 반경 방향으로 감소하므로, 용융 캡의 횡방향 연장이 제한된다. 따라서, 공급 장치(10)에 의해 액체 공급원료가 더 추가되더라도, 액체 실리콘 층(32)은 그의 최외측 경계에서 고화된다. 따라서, 그 액체 실리콘 층은 스스로 측방 구속부(47) 또는 자체의 도가니를 형성하게 된다.

가열력의 반경 방향 구배가 클 수록, 고화되는 실리콘 블럭(7)의 단면적, 특히 단면 형상과 상부 가열기(8)의 기하학적 구조 간의 일치성이 더욱 더 좋아지는 것으로 나타났다. 특히, 용융 캡의 측방 부분은 많이 가열될 필요가 없는 것으로 나타났다.

또한, 고화되는 실리콘 블럭(11)의 횡방향 연장, 즉 길이 방향(5)에 수직한 방향의 연장은 무엇 보다도 이미 고화된 실리콘 블럭(11)의 위에 있는 액체 실리콘 층(32)의 메니스커스(meniscus) 각도에 의존하는 것으로 나타났다. 도 10a ∼ 10c 에 개략적으로 나타나 있는 바와 같이, 3개의 가능한 상황이 있다: a) 길이 방향(5)에 대한 상기 메니스커스 각도가 8도 미만이면, 고화되는 실리콘 블럭(11)의 직경은 감소되고, b) 길이 방향(5)에 대한 상기 메니스커스 각도가 약 10도이면, 고화되는 실리콘 블럭(11)은 일정한 직경을 갖고 성장할 것이며, 또한 c) 길이 방향(5)에 대한 상기 메니스커스 각도가 12도 보다 크면, 고화되는 실리콘 블럭(11)은 직경이 증가하면서 성장하게 될 것이다. 이리하여, 받침부(13)의 횡방향 변위 속도와 액체 실리콘 공급원료를 층(32)에 추가하는 속도 중의 적어도 하나를 조절 하여 공정 전체에 걸쳐 메니스커스 각도가 일정하게 유지되는 것으로 생각된다. 바람직하게는, 받침부(13)는 공정 전체에 걸쳐 일정한 속도로 하강된다. 바람직하게는, 액체 공급원료를 추가하는 속도는 공정 전체에 걸쳐 일정하게 유지된다. 가장 바람직하게는, 실리콘 블럭(11)의 성장 속도는 공정 전체에 걸쳐 일정하다.

또한, 메니스커스 각도는 삼중점(48)에서의 정수압에 의존하는 것으로 나타났으며, 그 삼중점에서 고체 실리콘 블럭(11), 액체층(32) 및 주변의 가스가 모이게 된다. 삼중점(48)에서의 정수압 자체는 용융 캡의 높이(h_s)에 의존하게 된다. 용융 캡의 높이(h_s)의 최적값(h^*)이 존재하며, 이 최적값에서는 10°의 메니스커스 각도가 나타나게 된다. h_s = h₁ ＜ h^* 이면, 상기 정수압은 더 작아지며, 그래서 메니스커스 각도가 더 작게 된다(도 10a 참조). 다른 한편으로, h_s = h₃ ＞ h^* 이면, 메니스커스 각도는 10°보다 크게 된다(도 10c 참조). 따라서, 삼중점(48)에서 액체층(32)의 높이(h_s)를 조절하여 실리콘 블럭(11)의 직경의 성장을 제어할 수 있다. 높이(h_s)의 상기 최적값(h^*)은 또한 상부 가열기(8)로부터 전자기장에 의해 가해지는 정전기적 압력에도 의존한다.

본 발명에 따르면, 실리콘 블럭(11)의 직경의 성장은 상부 가열기(8)의 가열력의 횡방향 구배 때문에 스스로 안정화된다. 이는 삼중점(48)에서의 층(32)의 높이(h_s)가 일시적으로 h^* 보다 크게 되면(이는 예컨대 층(32)에서의 대류가 국부적으로 변동하여 일어날 수 있는 상황임), 실리콘 블력(11)이 직경의 증가와 함께 성장하게 될 것임을 의미한다. 이렇게 되면, 삼중점(48)이 온도가 점점 더 낮아지는 영역으로 이동하여 성장 속도가 증가되고 그리하여 다시 액체층(32)의 높이(h_s)가 감소되고 이에 따라 직경의 증가가 감소되는 상황이 일어나게 된다.

유사한 상황이 실리콘 블럭(11)이 직경의 감소와 함께 국부적으로 성장하면 일어나게 된다.

또한, 정사각형 단면을 갖는 실리콘 블럭(11)을 성장시킬 때 그의 표면에서의 복사 손실(radiative loss)의 편차 때문에 특별한 조치가 필요한 것으로 나타났다. 특히, 기하학적 구조의 이유 때문에, 고화되는 실리콘 블력(7)은 그의 측면의 중간 지점 영역에서 보다 코너에서 더 많은 에너지를 복사(radiation)로 잃게 된다. 이러한 경우, 적절한 조치가 없으면 코너 주위에서 결정화가 더 빨리 일어나 이들 영역에서 삼중점(48)의 위치가 상대적으로 위쪽으로 이동하게 되며 이로 인해 이들 영역에서 실리콘 블럭(11)의 직경이 감소하게 될 것이다. 다시 말해, 실리콘 블럭(11)의 코너는 둥글게 될 것이다. 보다 일반적으로는, 적절한 조치가 없으면, 성장하는 실리콘 블럭(11)은 둥근 형상을 갖는 경향이 있을 것이다.

또한, 실리콘 블럭(11)의 성장 및 이 블럭의 측면을 통한 열 복사의 관련된 증가로 인해, 그 실리콘 블럭(11)의 직경이 감소하고 높이는 증가하는 경향이 나타날 것이다.

이하, 이러한 형상 또는 직경의 변화에 대처할 수 있는 많은 가능성에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상부 가열기(8)의 가열력은 성장 공정 중에 증가된다. 상부 가열기(8)의 가열력을 적절히 제어하여, 전체 높이에 걸쳐 일정한 단면적을 갖는 실리콘 블럭(11)을 성장시킬 수 있다.

대안적인 더 용이한 실시 형태에서, 상부 가열기(8)의 가열력은 실리콘 블럭(11)의 성장 공정 전체에 걸쳐 일정하게 유지된다.

이하, 상기 상부 가열기(8)의 몇몇 실시 형태를 보다 자세히 설명한다. 전술한 바와 같이, 상부 가열기(8)는 3개의 부분(45_1, 45₂, 45₃)을 포함한다. 이들 부분(45)은 루프 또는 권선으로 형성된다. 그 부분들은 정사각형의 외주 및 내주를 갖는다. 이들 부분은 서로에 대해 또한 중앙 개구(44)에 대해 동심으로 배치된다. 도 5 ∼ 7 에 개략적으로 나타나 있는 바와 같이, 각각의 부분(45)은 전원(49)에 연결되어 있다. 이 전원(49)은 AC 전원, DC 전원 및 제어기(50)를 포함한다. 각각의 부분(45)은 AC 전원 및 DC 전원 둘다에 연결된다. 상기 부분(45)은 델타(delta) 연결 또는 스타(star) 연결로 전원(49)에 연결된다.

상기 AC 전원은 10 Hz ∼ 100 kHz 범위의 주파수를 갖는 AC 전력을 발생시킬 수 있다. 이 주파수는 특히 1000 Hz 보다 크고, 특히 3000 Hz 보다 크며, 특히 10000 Hz 보다 클 수 있는데, 왜냐하면 액체층(32)이 얕기 때문에 큰 침투 깊이는 필요하지 않기 때문이다. 상기 침투 깊이는 층(32)의 높이(h_s)에 상당하는 것이 유리한 것으로 나타났다. 일반적으로, 침투 깊이는 수직 방향 대류 롤(role)의 형성을 방지하기에 충분히 크게 되는 것이 보장된다.

상기 부분(45) 각각에 공급되는 전력은 제어기(50)에 의해 독립적으로 제어가능하다. 부분(45)의 주 가열력은 DC 전원에 의해 제공될 수 있다. AC 전력은 변동하는 전자기장, 특히 이동장(travelling field) 또는 이동파를 발생시키는데 사용될 수 있다. 이동하는 전자기장은 액체층(32)에 유동 패턴을 발생시키는데 사용될 수 있다. 전형적인 유동 패턴이 도 8 에 나타나 있는데, 이 도에는 액체층(32)의 소용돌이(51)가 유동 방향(52)과 함께 나타나 있다.

상부 가열기(8)는 바람직하게는 흑연, 특히 초순수 흑연으로 만들어진다. 상부 가열기는 또한 탄소 섬유 강화 탄소(CFC)로 만들어질 수 있다. 상부 가열기는 탄화규소(SiC)로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 흑연과 반응하여 느슨한 SiC 층을 형성하게 되는 산화규소(SiO)의 증발을 방지하는데 유리하다.

상기 상부 가열기(8)는 질화붕소(BN)로 된 구조체에 의해 설치되어 제 위치에 유지될 수 있다. 상부 가열기(8)의 설치 및 유지를 위한 상기 구조체는 특히 약 1400℃ ∼ 1500℃의 온도에서도 기계적으로 안정적인 재료로 만들어진다. 또한, 상부 가열기(8)의 설치를 위한 상기 구조체의 재료는 그러한 온도에서도 전기 절연성을 갖는다.

상기 이동장을 발생시키기 위해, 상기 상이한 부분(45_1, 45₂, 45₃)은 120°의 위상 이동으로 작동된다.

상기 이동장의 방향은 두개의 위상을 서로 바꾸거나 부분(45)에서의 위상을 적절히 이동시켜 반전될 수 있다.

도 5 에 나타나 있는 실시 형태에 따르면, 상부 가열기(8)의 부분(45) 모두는 상부 가열기(8)의 유리한 실시 형태에서 정사각형으로 되어 있지만, 도 6 에서 보는 바와 같이, 중앙 부분(45₁)과 중간 부분(45₂)만 정사각형으로 될 수 있다. 외측 부분(45₃)은 정사각형 내주를 갖는다. 그러나, 그 외측 부분의 외주는 다소 오목하게 되어 있는데, 즉 상부 가열기(8)의 최외측 경계는 안쪽으로 약간 휘어져 있다. 이렇게 해서, 코너에서의 가열력을 상부 가열기(8)의 외측 경계의 중간점에서의 가열력에 비해 증가시킬 수 있다.

도 7 에 나타나 있는 다른 실시 형태에 따르면, 최외측 부분(45₃)은 정사각형 외주의 대각선을 따라 내주의 코너로부터 연장되어 있는 4개의 슬릿(53)을 갖는다. 이렇게 해서, 최외측 부분(45₃)의 코너에서의 전류 밀도가 증가된다.

대안적으로 또는 추가적으로, 고화되는 실리콘 블럭(11)의 코너에서의 복사 열손실의 증가는 적절한 반사기 및 이들 영역에서의 증가된 열절연 중의 적어도 하나로 보상될 수 있다.

도 11 에 나타나 있는 바와 같이, 상기 삼중점(48)에서의 길이 방향 온도 구배로 인해 고화선(31)이 휘어진 형상으로 된다. 특히, 고화선(31)은 중심으로부터의 거리가 멀어질 수록 위쪽으로 휘어질 것이다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 고화선(31)의 그러한 상향 휨은 예컨대 가열기(8)의 최외측 부분(45₃)에 주어지는 가열력의 증가로 보상된다. 이는 또한 적절한 절연 요소(54)에 의해 보상될 수 있다.

전원(48)에 의해 상부 가열기(8)의 부분(45)에 공급되는 가열 전력은 고화 공정 전체에 걸쳐 일정할 수 있다. 그러나, 유리한 실시 형태에서, 가열 전력은 고화 공정 중에 변할 수 있다. 가열 전력은 제어 장치(50)로 제어될 수 있다. 가열 전력 제어기는 개방형 루프 또는 폐쇄형 루프 회로의 일 부분이 될 수 있다.

특히, 상기 액체층(32)에서 소정의 유동 패턴을 발생시키기 위해 상기 부분(45)에 공급되는 전력을 변화시킬 수 있다. 이는 고화되는 실리콘 블럭(11)에서 도펀트의 균일한 분포를 보장하는데 유리할 수 있다.

특히, 도 8 에 개략적으로 나타나 있는 유동 패턴을 발생시킬 수 있는데, 이 유동 패턴에서는, 액체층(32)의 중심부로부터 그의 코너로 가는 유동 및 대략 정사각형의 액체층(32)의 중간선을 따라 중심부로 가는 역방향 유동이 있다. 상부 가열기(8)의 중앙 부분(45₁)에 공급되는 증가된 가열 전력과 함께 그러한 유동 패턴으로 인해, 비교적 고온인 액체가 코너로 가게 되는데, 그리하여 고화선(31)이 위쪽으로 휘는 것이 방지될 수 있다. 물론, 필요하다면, 비교적 저온인 액체가 액체층(32)의 주변으로부터 코너로 가도록 하기 위해 상기 유동 패턴을 반대로 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 양태에 따르면, 액체층(32)에서 특정 유동 패턴을 발생시키기 위해 상부 가열기(8)의 부분(45)에 공급되는 가열 전력 및 상부 가열기(8)의 부분(45)에 공급되는 AC 전력 중의 적어도 하나를 제어하여 고화되는 실리콘 블럭(11)의 형상, 특히 단면적을 제어할 수 있다.

일 유리한 실시 형태에서, 고화되는 실리콘 블럭(11)의 형상, 특히 고화선(31)의 3차원 위치가 모니터링 장치(40)로 모니터링된다. 도 9 에 개략적으로 나타나 있는 바와 같이, 상기 모니터링 장치(40)는 카메라(54)의 형태로 된 4개의 모니터링 장치를 포함한다. 각 카메라는 중앙 모니터링부(55)에 연결된다. 다시 이 중앙 모니터링부(55)는 제어기(50)에 연결된다. 이렇게 해서, 상부 가열기(8)의 부분(45)에 공급되는 AC 전력 및 DC 전력이 폐쇄형 루프로 제어될 수 있다.

도 9 에 나타나 있는 실시 형태에 따르면, 고화되는 실리콘 블럭(11)의 각 측에 한개의 카메라(54)가 배치되어 있다. 원리적으로, 단지 두개의 카메라(54)를 둘 수 있는데, 이들 카메라는 비스듬하게, 특히 서로 수직하게 배치된다. 직경 제어를 위해서는, 직경 제어를 위해 잉곳의 일 측의 길이를 따라 아래로 비스듬히 보는 한개의 카메라를 배치하는(즉, 중심에서 벗어나 배치되는) 것이 편리하다.

중앙 모니터링부(55)는, 고화되는 실리콘 블럭(11)의 직경 또는 단면적, 액체층(32)의 직경 또는 단면적, 액체층(32)의 높이(h_s), 삼중점(58)에서의 액체층(32)의 메니스커스 각도 및 고화선(31)의 형상, 특히 휨 중 적어도 하나의 측정치를 제공하기 위해 카메라(54) 각각의 신호로부터 어떤 값, 특히 평균값을 결정하는 프로세서를 포함할 수 있다.

상기 중앙 모니터링부(55)는 또한 공급 장치(10)에 연결되어 액체층(32)에 액체 공급원료를 추가하는 속도를 제어할 수 있다.

도 5 ∼ 7 에 나타나 있는 실시 형태에 따른 상부 가열기(8) 및 모니터링 장치(40)는 전술한 주변 가열기(26)와 주변 냉각기(30) 중의 적어도 하나와 유리하게 결합될 수 있다. 특히, 모니터링 장치(50)의 중앙 모니터링부(55)는 AC 전원(29)에 의해 주변 가열기(26)에 공급되는 AC 전력을 제어하는 제어 장치와 연결될 수 있다. 상기 중앙 모니터링 장치는 또한 저장부(33)로부터 주변 냉각기(30)에 주어지는 냉각 유체의 공급을 제어하기 위한 제어 장치에 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 공급 장치(10)의 공급관(25)의 위치는 지지부(6)에 대해, 특히 액체층(32)의 상부 표면에 대해 조절될 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 공급관(25)의 선단의 위치는 이 선단이 액체층(32) 안으로 도달하도록 조절된다(도 2 참조). 이렇게 해서, 공급관(25)에서 나오는 액체 공급원료와 액체층(32) 사이의 간헐적인 접촉으로 인한 표면파의 발생을 피할 수 있다.

Claims (17)

1. 잉곳 제조 장치(1)로서,
   제어가능한 분위기를 제공하는 챔버(2),
   시드층(7)을 지지하기 위한 지지부(6),
   상기 챔버(2)내의 주어진 성장분(V_g)에서 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단(8, 9), 및
   재료를 상기 시드층(7) 상에 제어가능하게 공급하기 위한 공급 장치(10)를 포함하며,
   상기 챔버(2)는 길이 방향(5)으로 서로 떨어져 있는 정상부(3) 및 바닥부(4)를 가지며,
   상기 지지부(6)는 챔버(2)에 대해 길이 방향(5)으로 움직일 수 있고,
   상기 온도장은 상기 길이 방향(5)으로 온도 구배를 갖고,
   상기 온도장을 제어하기 위한 상기 적어도 하나의 수단은 시드층(7)용 지지부(6)의 위쪽에 배치되는 적어도 하나의 상부 가열 장치(8)를 포함하고,
   상기 상부 가열 장치(8)는 상기 길이 방향에 수직인 횡방향의 온도 구배를 갖는 온도장을 발생시키도록 설계되고,
   상기 횡방향의 온도 구배는 제어가능한 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치(1).
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 상부 가열 장치(8)는 적어두 두개의 가열 루프를 포함하며, 이 적어도 두개의 가열 루프는 동심으로 배치되고, 각각의 가열 루프는 DC 전력과 AC 전력 중의 적어도 하나를 제공하는 전원에 연결되어 있으며, 각각의 가열 루프는 독립적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치(1).
4. 제 1 항에 있어서, 상기 시드층(7)의 외주의 형상에 맞는 내주를 갖는 적어도 하나의 주변 가열기(26)를 더 포함하고, 이 주변 가열기(26)는 일회 이상 감긴 유도식(inductive) 가열 코일(27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치(1).
5. 제 4 항에 있어서, 상기 시드층(7)의 외주에 맞는 내주를 갖는 적어도 하나의 주변 냉각기(30)를 더 포함하고, 이 주변 냉각기(30)의 위쪽에는 상기 주변 가열기(26)가 제공되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치(1).
6. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 도가니를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치(1).
7. 잉곳 제조 방법으로서,
   제어가능한 분위기를 제공하는 챔버(2); 상기 챔버(2)내의 주어진 성장분(V_g)에서 길이 방향(5)의 온도 구배를 갖는 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단(8, 9); 시드층(7)용 지지부(6)의 위쪽에 배치되는 적어도 하나의 상부 가열 장치(8)를 포함하는 상기 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단; 상기 길이 방향에 수직인 횡방향의 온도 구배를 갖는 온도장을 발생시키도록 설계된 상기 상부 가열 장치(8); 제어가능한 상기 횡방향의 온도 구배; 상기 챔버(2)내에서 길이 방향(5)으로 움직일 수 있는 시드층(7)용 지지부(6); 및 공급원료를 제공하기 위한 제어가능한 공급 장치(10)를 갖는 장치(1)를 제공하는 단계,
   제조될 잉곳의 단면적을 규정하게 되는 시드층(7)을 상기 지지부(6) 위에 제공하는 단계,
   상기 시드층(7)이 상기 성장분(V_g)내에서 소정의 위치에 있도록 상기 지지부(6)를 이동시키는 단계,
   상기 성장분(V_g)내에서 소정의 수직 방향 온도 구배를 갖는 온도장을 발생시키는 단계,
   공급 장치(10)를 통해 공급원료를 상기 시드층(7)에 제공하는 단계로서, 공급원료의 공급 및 성장분(V_g)내의 온도장은 전체 시드층(7)이 액체 공급원료 층(32)으로 덮히도록 제어되는, 공급원료를 상기 시드층(7)에 제공하는 단계;
   액체 공급원료 층(32)이 고화되는 중에 상기 지지부(6)를 하강시키는 단계, 및
   상기 공급 장치(10)로부터 액체 공급원료를 더 추가하는 단계를 포함하는 잉곳 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 지지부(6)가 하강되는 중에, 고화된 실리콘 블럭(11)과 액체 공급원료 층(32) 사이의 상 경계(31)가 움직이지 않게 유지되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 공급 장치(10)로부터 액체 공급원료를 추가하기 위해, 그 공급 장치(10)의 출구(25)가 액체 공급원료 층(32) 안으로 도달하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 시간 변화 전류를 전자기장 상부 가열 장치(8)에 가하여 액체 공급원료 층(32)에 소정의 유동 패턴을 발생시키고, 상부 가열기에 흐르는 시간 변화 전류는, 액체 공급원료가 액체 공급원료 층(32)의 중심부로부터 코너로 흐르는 유동 패턴이 적어도 일부 기간 중에 상기 층(32)에서 생기도록 제어되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 방법.
11. 제 7 항에 있어서, 고화되는 액체 공급원료 층(32)은 모니터링 장치(40)로 모니터링되며, 이 모니터링 장치(40)에서 주어지는 신호에 따라, 상기 성장분(V_g)에서의 온도장을 제어하기 위한 적어도 하나의 수단(8, 9) 중의 적어도 하나의 작동, 공급 장치(10)로부터 액체 공급원료를 추가하는 속도, 주변 가열기(26)의 작동, 주변 냉각기(30)의 작동 및 상기 지지부(6)를 하강시키는 속도 중의 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 방법.
12. 제 7 항에 있어서, 잉곳의 횡방향 크기는, 액체 공급원료의 단면적을 증가 또는 감소시키기 위해 시드 결정과 주변 가열기 사이의 틈을 모니터링하고 또한 주변 가열기의 전류를 제어하여 성장 중에 제어되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 방법.
13. 제 7 항에 있어서,
    고화 속도는 액체와 고체 사이의 계면의 위치를 모니터링하고 또한 가열 장치(8)와 냉각 장치(9) 사이의 정미(net) 에너지 흐름에 대한 능동 피드백 제어 루프를 사용하여 능동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 방법.
14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조된 단결정 구조를 갖는 웨이퍼에 있어서,
    상기 웨이퍼는 적어도 140 mm x 140 mm의 크기를 가지며,
    웨이퍼는 웨이퍼 표면의 적어도 3개의 사분(quarter) 영역에서 5%미만의 변동률 갖는 비저항을 가지며,
    상기 웨이퍼의 표면에 대한 평균 전위 밀도는 100/cm² 미만인 것을 특징으로 하는 웨이퍼.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 횡방향의 온도 구배는 상기 길이 방향의 온도 구배보다 더 작은 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 길이 방향의 온도 구배는 100 K/m 내지 10000 K/m의 범위에 있고, 상기 횡방향의 온도 구배는 최대 1 K/cm인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 횡방향의 온도 구배는 최대 1 K/m인 것을 특징으로 하는 잉곳 제조 장치.
    

Images